Chloor (Cl) en water

Het gemiddelde chloorgehalte in zeewater is met ongeveer 20000 ppm (2%) relatief hoog. Maar ook in zoetwater komt dit element voor. Zo ligt de concentratie in rivierwater over het algemeen bij ongeveer 8 ppm. In opgeloste toestand komt chloor vooral in vorm van Cl^- voor, maar ook Cl₂ (in gechloord water), HClO, ClO^-, ClO₂, ClO₂^-, ClO₃^- en ClO₄^- zijn mogelijke verschijnselen.
 

Hoe en in welke verbindingen reageert chloor met water?

Chloor is een van de reactiefste elementen en reageert dus ook met water. Het vormt ermee zoutzuur en hypochloriet, wat volgens de onderstaande reactievergelijking afloopt:

Cl₂(g) + H₂O(l) <-> OCl^-(aq) + 2H⁺(aq) + Cl^-(aq)

Het evenwicht van de reactie is onder andere van de pH-waarde van de oplossing afhankelijk, omdat H⁺-ionen worden gevormd.
Het chlorideion is duidelijk minder reactief. Ook bijvoorbeeld de groep van chlooralkyleters is in water normaal heel stabiel.
 

Oplosbaarheid van chloor en/of zijn verbindingen in water

De oplosbaarheid van chloorgas in water ligt bij ongeveer 6,3 g/L. Ook chloorzouten gelden als goed oplosbaar in water. Een aantal voorbeelden voor de oplosbaarheid van chloorverbindingen zijn chloraalhydraat met 4740 g/L (bij 17^oC), 3-amino-2,5-dichloorbenzoezuur met 700 mg/L (bij 25^oC), 4-chloraniline met 2,9 g/L (bij 20^oC) en 1-chlooretheen met 1,1 mg/L (bij 25^oC).

Oplosbaarheid en waardoor deze beïnvloed kan worden

Hoe kan chloor in water terechtkomen?

Chloor is van nature in een aantal mineralen, zoals haliet, sylvien en carnalliet, te vinden. Het komt in de natuur niet in vrije vorm voor, maar alleen in verbindingen, vooral als natriumchloride (keukenzout). Vooral uit haliet wordt keukenzout gewonnen, dat echter ook uit zeewater geëxtraheerd kan worden. Door het gebruik van strooizout ’s winters op straat en door menselijke emissies in huishoudelijk afvalwater kan snel een verhoogde hoeveelheid chloride in water en bodem terechtkomen. Dit effect wordt ook bijvoorbeeld door de kali-industrie versterkt.
Chloor heeft echter nog een groot aantal andere commerciële gebruiksdoeleinden. Zo wordt ongeveer 30% van de totale gebruikte hoeveelheid chloor in de chemische industrie verwerkt, terwijl ongeveer 25% bij de productie van PVC wordt toegepast. 20% dient de waterbehandeling, circa 15% wordt in oplosmiddelen toegepast en circa 10% in bleekstoffen. Zo kan niet alleen celstof voor de papierindustrie, maar ook oud papier met behulp van chloor gebleekt worden. Inmiddels zijn er echter wel milieuvriendelijkere methoden voor.
Ook voor de productie van medicijnen, siliconen en polymeren wordt het element gebruikt, alhoewel het eindproduct geen chloor meer bevat. Bovendien is chloor bestanddeel van huishoudelijke bleek, verfverwijderaars, brandbeveiligingsmiddelen en zelfs pesticiden. Heel bekend is het insecticide en milieugif DDT, maar ook de herbiciden 3-amino-2,5-dichloorbenzoezuur en chloraalhydraat. Hetzelfde geldt voor chlordan. Ook sommige chloorkoolwaterstofverbindingen dienen als fungiciden en insecticiden. Voor een deel mogen chloorverbindingen wegens hun toxiciteit niet voor deze doeleinden worden gebruikt. 
Andere bekende en beruchte chloorverbindingen zijn PCB dat bijvoorbeeld bij de productie van condensatoren en transformatoren toegepast wordt, CFK’s en HCFK’s die onder anderen als koelmiddel gebruikt werden. Andere toepassingen voor chloorverbindingen zijn de toevoeging aan verf en lijm en de productie van ionenwisselaars of zelfs van slaapmiddelen.
Het elementaire chloorgas werd als chemisch wapen gebruikt. Het ontstaat ook bij toevoeging van zuur aan sanitairreinigers.
Chloriden en andere chloorverbindingen kunnen uit onvoldoende beveiligde stortplaatsen voor chemisch afval en baggerspecie vrijkomen. Ook de verbranding van stoffen die chloorverbindingen bevatten, laat deze vrij in het milieu.
Het aantal chloorverbindingen en hun gebruiksdoeleinden is zo groot dat deze hier niet allemaal behandeld kunnen worden. Interessant is wel dat chloor en zijn verbindingen vaak als afvalproducten vrijkomen en daarna of verloren gaan of als chloororganische verbindingen op de markt gebracht kunnen worden. Zo gelden vooral oplosmiddelen, maar ook PVC als goede mogelijkheid hiervoor.
Het radioactieve ³⁶Cl wordt voor wetenschappelijke onderzoeken gebruikt.
 

Welke milieuproblemen kunnen door waterverontreiniging met chloor ontstaan?

Chloor is in vorm van chloride voor een groot aantal organismen essentieel. Dit geldt ook voor hogere planten. Het ion is in de grond heel mobiel, omdat het niet aan mineralen geadsorbeerd wordt. Daarom wordt het ook snel uitgespoeld. De chlorideconcentratie in normale bodems varieert van 50 tot 2000 ppm. De hoogste zoutconcentraties zijn in gebieden met een laag vochtgehalte in de lucht en in gebieden dichtbij de zee te vinden.
Planten nemen chloride door de wortels op en bovendien chloorgas door de bovengrondse plantendelen. In de plant komt het vaak tot een accumulatie van chloride in het cytoplasma. Het chloorgehalte van planten ligt meestal bij ongeveer 2000-20000 ppm. Het aandeel hiervan in de chloroplasten is bijzonder hoog. Een aantal bomen, zoals bijvoorbeeld platanen of eiken, kunnen relatief hoge zoutconcentraties in de grond tolereren. Bij te lage concentraties kan het tot groeistoornissen bij planten komen. Dit gebeurt echter niet heel vaak, omdat hett pas bij extremen van onder de 2 ppm chloride in de bodem van belang is.
In aquatische processen komt het vaak tot wisselwerkingen tussen chloride en ijzer, wat bijvoorbeeld bij fotochemische processen het geval is. Interessant is ook dat natriumchloride in zeezoutpartikels met stikstofoxiden kan reageren, waarbij chlooratomen worden gevormd die ozon en broeikasgassen kunnen afbreken.
Alhoewel chloor in het milieu een element van groot belang is, kan het aan de andere kant ook heel snel grote milieuschade veroorzaken, als het in andere vormen dan chloride optreedt. Het heeft een groot verspreidingspotentiaal en geldt bovendien als watergevaarlijk stof. Bij grotere hoeveelheden kan het ook tot een bedreiging van het drinkwater komen. Op vissen heeft chloor een giftige werking, waarbij de letale concentratie waarbij ongeveer 50% van een populatie sterft (LC₅₀), bij ongeveer 293 ppm ligt. Ook chloorverbindingen kunnen toxisch en sterk milieugevaarlijk zijn. Zo zijn bijvoorbeeld een aantal LD₅₀-waardes van chloorverbindingen bekend die aangeven, hoe hoog de dosis is, waarbij 50% van een populatie sterft. Deze dosis ligt bij een orale opname van chloraalhydraat door de rat bij 1,1 g/kg, bij dezelfde opname van 3-amino-2,5-dichloorbenzoezuur bij 5,6 g/kg en van chlooraniline bij 370-420 mg/kg. Chloraalhydraat telt ook bij de watergevaarlijke stoffen. De LC₅₀-waarde van chlooraniline ligt voor de regenboogforel bij 14 mg/L binnen 96 uur. De giftigheid van chloorverbindingen kan op verschillende processen gebaseerd zijn. Zo beïnvloeden sommige chloorverbindingen het methemoglobine terwijl andere de activiteit van enzymen afremmen.
De bedreiging van het milieu door andere chloorhoudende stoffen betreft eerder hun reacties in de atmosfeer. Deze hebben wederom invloed op water en bodem en bovendien op flora en fauna. Zo kan bijvoorbeeld bij de verbranding van chloorhoudende substanties zoutzuur in de atmosfeer terechtkomen en een bijdrage leveren aan de zure regen. Deze kan grond en planten sterk beschadigen (zie ook Stikstof en water en Zwavel en water).
Andere problemen ontstaan door het gebruik van CFK’s en HCFK’s die de ozonlaag aantasten, waardoor de UV-straling op de aarde wordt versterkt. Dit heeft wederom effect op het leven op de aarde. Ook functioneren zij als broeikasgassen en leveren op deze manier een bijdrage aan de klimaatverandering die ook invloed op aquatische ecosystemen heeft. Sommigen van deze chloorverbindingen horen bij degenen die in organismen accumuleren en een kankerverwekkende werking hebben.
Vooral de pesticiden DDT en PCB staan bekend voor hun bioaccumulatie en biomagnificatie. Zij accumuleren niet alleen binnen een organisme, maar ook binnen een hele voedselketen.
Chloor heeft twee stabiele en acht instabiele, dus radioactieve isotopen.
 

Welke gezondheidseffecten kan chloor in water veroorzaken?

In vorm van chloride is chloor ook voor de mens een essentieel element. Zo ligt het chloorgehalte in het menselijke lichaam bij ongeveer 1200 ppm. Dagelijks nemen wij circa 3-6,5 g vooral in vorm van keukenzout op, waarvan slechts rond de 3 g ook worden benodigd. Hiervan zijn ongeveer 17% uit het voedsel zelf afkomstig, terwijl 40-50% bij het productieproces en 30-40% door de consument zelf worden toegevoegd. Ongeveer 3% nemen wij met het drinkwater op.
Chloride geldt als het belangrijkste anion in de extracellulaire vloeistof, waarbij het invloed op de water-elektrolyt-balans heeft. Als bestanddeel van zoutzuur is het van belang voor de vorming van maagzuur. Bij verhoogde inname kan de chloridebalans meestal blijven bestaan, omdat de overschot met de urine wordt uitgescheiden. Het veroorzaken van hoge bloeddruk en hartziektes door een te grote consumptie van keukenzout wordt aan zijn bestanddeel natrium en minder aan het chloride toegeschreven (zie ook Natrium en water).
Terwijl chloride als stabiel en relatief ongiftig geldt, is chloorgas heel reactief en kan het snel gevaarlijk worden. Bij de drinkwaterbereiding uit oppervlaktewater zijn er vaak bedenkingen tegen het gebruik van chloor, omdat het met de normaal altijd aanwezige humuszuren trihalomethanen kan vormen die als schadelijk voor de gezondheid gelden.
Op slijmvliezen vormt chloor actief zuurstof en zoutzuur die het weefsel aantasten. Bij inhalatie werkt het gas als een sterk longgif dat zelfs longbloedingen kan veroorzaken. Lucht met een concentratie van 500 ppm geïnhaleerd voor vijf minuten kan dodelijk zijn. Interessant is aan de andere kant ook dat witte bloedcellen het element kunnen gebruiken om het lichaam voor infectieziektes te beschermen. Toxische effecten van chloorverbindingen treden vooral bij geoxideerde vormen zoals bijvoorbeeld chloraten op. Ook chloraalhydraat is een voorbeeld voor een giftige chloorverbinding, waarbij ongeveer 10-15 g hiervan dodelijk zijn. Het heeft bovendien, zoals ook een aantal andere verbindingen van chloor, een mutagene en carcinogene werking.
Onder anderen DDT kan bovendien in het lichaam accumuleren. Zijn acute toxiciteit uit zich in angstgevoelens, duizeligheid, hoofdpijn, verwardheid en evenwichtsstoornissen, eventueel zelfs coma.
 

Welke waterzuiveringstechnologieën kunnen toegepast worden om chloor te verwijderen?

Chloor oftewel chloride is normaal in alle soorten afvalwater te vinden. Terwijl de concentratie van het element in drinkwater bij slechts 30 mg/L ligt, kunnen dit in huishoudelijk afvalwater al 120 mg/L zijn. Afvalwater van slachthuizen bevat ongeveer 1 g/L en hetgeen uit de visverwerking zelfs rond 24 g/l.
Mogelijkheden om chloor en zijn verbindingen uit water te verwijderen bieden ionenwisselaars en omgekeerde osmose, eventueel in combinatie met elektrodialyse. Ook actief kool kan in sommige gevallen worden toegepast, oftewel het gebruik van zwaveldioxide of andere reducerende zwavelverbindingen. 
De verwijdering van chloor door natuurlijke micro-organismen duurt relatief lang en is niet altijd kompleet. In 1997 werd echter een bacteriesoort ontdekt die hiertoe wel in staat is.
Ook chloor zelf kan voor de waterbehandeling en vooral desinfectie worden gebruikt. De werking van het element is gebaseerd op volgende reactievergelijking:
Cl₂ + H₂O -> 2H⁺ + 2Cl^- + O
De hierbij uit het onderchlorig zuur vrijkomende zuurstof kan verontreinigingen oxideren. Bij pH-waardes lager dan 6 ligt het chloor in moleculaire vorm voor, terwijl bij een pH-waarde boven de 10 de vorm van het hypochlorideion gebruikelijker is. Dit is duidelijk minder effectief. Ligt de pH-waarde tussen de 5 en de 10, zo zijn beide vormen aanwezig (HOCl <-> H⁺ + OCl^-).
Deze methode is heel goedkoop, maar hij kan tot een ongewenste verlaging van de pH-waarde en een verhoging van het chloridegehalte leiden. Ook ongewenste nevenproducten kunnen gevormd worden. Positief is dat chloor in het water verblijft en nog enkele tijd nawerkt, in tegenoverstelling tot de desinfectie met behulp van ozon. Beide methoden kunnen echter wel gecombineerd worden.
Naast chloorgas kunnen ook vaste en vloeibare chloorverbindingen bij de desinfectie worden toegepast. Deze zijn vaak makkelijker te gebruiken en minder gevaarlijk voor de omgeving. De kosten zijn meestal wel hoger.
Een sterkere desinfectie met minder nevenproducten kan door het gebruik van chloordioxide bereikt worden. Dit is minder reactief, wat het verbruik en de kans op vorming van kankerverwekkende trihalomethanen vermindert. Bovendien heeft men minder last van de typische chloorgeur.
Chloor kan naast het doden van ziekteverwekkers ook organische verbindingen oxideren. Daarom wordt in het begin bij een stijgende toevoeging van chloor de chloorconcentratie in het water lager. Bij een verdere toevoeging stijgt deze echter wel proportioneel. Een effectieve waterbehandeling met chloor moet daarom net boven deze buigpunt gedoseerd worden.

Terwijl de drinkwaternormen van WHO en EU een maximaal chloridegehalte van 250 mg/l voorgeven, zijn volgens het Nederlandse Waterleidingbesluit slechts 150 mg/l toegestaan.

Vergelijking drinkwaternormen

Literatuurverwijzingen

Terug naar het periodiek systeem der elementen

Terug naar de overzicht van elementen en water